KR102479196B1 - Decompression and cooling systems for containment vessels in nuclear power plants - Google Patents
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Abstract
격납용기(6) 내의 증기 및/또는 응축 가능한 가스의 감압 및 냉각 시스템(90)으로, - 배기 배관(10)을 통해 격납용기(6)에 연결되는 상류 포트와, 역송 배관(30)을 통해 격납용기(6)에 연결되는 하류 포트를 가지며 상기 역송 배관이 역송 압축기(32)를 구비하는 증기 응축기(24)와 - 증기 응축기(24)를 재냉각시키는 재냉각 시스템을 구비한다. 본 발명의 목적은 증기 응축기(24)의 효율적인 재냉각을 가능하게 하는 것이다. 본 발명에 따르면 이 목적은 상기 재냉각 시스템이 자급식이 되어 달성된다.With a system (90) for depressurization and cooling of vapors and/or condensable gases in containment vessel (6) - an upstream port connected to containment vessel (6) via exhaust pipe (10) and via back-feed pipe (30). The backfeed piping having a downstream port connected to the containment vessel (6) has a vapor condenser (24) with a backfeed compressor (32) - and a recooling system for recooling the vapor condenser (24). It is an object of the present invention to enable efficient recooling of the vapor condenser (24). According to the present invention this object is achieved by making the recooling system self-contained.
Description
본 발명은 원자력 발전 플랜트의 격납용기의 감압 및 냉각 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a decompression and cooling system for a containment vessel in a nuclear power plant.
청구항 1의 전제부에 따른 감압 및 냉각 시스템은 종래기술 WO 2014/019770 A1로 공지되어 있다. 격납용기(containment)에 연결된 전체 시스템은 격납용기 보호 시스템으로도 알려져 있다. 이는 중대한 사고의 경우 격납용기 분위기(containment atmosphere)의 감압을 촉진한다.A decompression and cooling system according to the preamble of
이에 따라 공지의 격납용기 보호는Accordingly, the known containment protection is
- 격납용기에 연결되는 배기 흐름(exhaust stream)의 배기 배관으로, 증기 응축기(steam condenser)는 배기 배관에 접속된 상태이고,- an exhaust piping of the exhaust stream connected to the containment vessel, with a steam condenser connected to the exhaust piping;
- 증기 응축기로부터 격납용기로 흐르는 배기 흐름의 가스 부분에 대한 역송 배관(backfeed line)으로, 역송 압축기는 역송 배관에 접속된 상태이며, 그리고 - a backfeed line for the gaseous portion of the exhaust flow from the vapor condenser to the containment vessel, the backfeed compressor being connected to the backfeed line, and
- 액체 질소의 기화에 의한 증기 응축기의 재냉각(re-cooling)을 구비한다.- Re-cooling of the vapor condenser by vaporization of liquid nitrogen is provided.
배기 흐름 내에 포함된 증기와 응축 가능한 가스들은 증기 응축기에서 응축된다. 그 다음, 배기 흐름의 감압된 가스 부분이 역송 배관을 통해 격납용기로 역송 공급되는데, 압력 구배의 극복을 위해 이에 대해 역송 압축기가 접속된다, 증기 응축기에 축적된 응축액(condensate)도 유사한 방식으로 격납용기에 역송 공급될 수 있다.Vapors and condensable gases contained in the exhaust stream are condensed in the vapor condenser. The depressurized gas portion of the exhaust stream is then fed back to the containment via a backfeed piping, to which a backfeed compressor is connected to overcome the pressure gradient. The condensate accumulated in the steam condenser is contained in a similar manner. Can be fed back to the vessel.
작동 중에, 다량의 열이 증기 응축기에 집결됨으로써 열 싱크(heat sink)로 기능할 능력을 저하시켜 응축 공정에 악영향을 미칠 수 있다.During operation, large amounts of heat can collect in the vapor condenser, which can adversely affect the condensation process by reducing its ability to function as a heat sink.
액체 질소의 기화에 의한 증기 응축기의 공지의 재냉각은 비싸고 공간 소모적인 다량의 저장된 질소를 요구한다.Known recooling of vapor condensers by vaporization of liquid nitrogen requires large amounts of stored nitrogen, which is expensive and space consuming.
본 발명의 목적은 전술한 감압 및 냉각 시스템 또는 격납용기 보호 시스템에서 증기 응축기의 효과적이고 신뢰성 높은 재냉각을 가능하게 하는 것이다.It is an object of the present invention to enable effective and reliable re-cooling of the vapor condenser in the aforementioned decompression and cooling systems or containment protection systems.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 특징들을 가지는 감압 및 냉각 시스템에 의해 달성된다.According to the invention, this object is achieved by a decompression and cooling system having the features of
바람직한 실시예들은 종속항들과 이하의 상세한 설명에 규정된다.Preferred embodiments are defined in the dependent claims and the detailed description below.
이에 따라 청구된 시스템의 핵심적 특징은 증기 응축기의 재냉각을 위한 자급식(self-sustaining) 냉각 회로(cooling circuit)인데, 이 냉각 회로는 바람직하기로 증기 응축기에 열적 결합된(thermally coupled) 제1 열교환기를 구비하고, 팽창 기관(expansion engine)과, 압축기 펌프와, 그리고 열 싱크에 열적 결합된 제1 열교환기를 더 구비하며, 팽창 기관이 압축기 펌프를 작동시킨다(power).A key feature of the system thus claimed is a self-sustaining cooling circuit for recooling of the steam condenser, preferably a first thermally coupled to the steam condenser. and a first heat exchanger thermally coupled to an expansion engine, a compressor pump, and a heat sink, wherein the expansion engine powers the compressor pump.
이러한 방법으로 증기 응축기의 수동적(passive) 재냉각이 달성되는데, 이는 배기 흐름에 포함된 에너지의 회수(recuperation)와 활용의 원리에 기반한다. 전체 냉각 회로는 시동(startup) 동안까지도 자주적(autonomous) 방식으로 작동한다.In this way, passive recooling of the steam condenser is achieved, which is based on the principle of recovery and utilization of the energy contained in the exhaust stream. The entire cooling circuit works autonomously even during startup.
냉각 회로의 바람직한 실시예는 제1 열교환기와 팽창 기관 사이의 냉각 회로 내에 과열기(superheater)를 구비하는데, 과열기는 배기 흐름에 의해 가열되도록 배기 배관에 열적 결합된다. 이에 따라 냉매의 온도는 팽창 기관에 진입하기 전에 상승되고, 그 결과 팽창 기관의 출력(yield)은 냉각 회로에 추가적인 열을 도입하는 단점과 함께 증가된다.A preferred embodiment of the cooling circuit includes a superheater in the cooling circuit between the first heat exchanger and the expansion engine, which is thermally coupled to the exhaust pipe to be heated by the exhaust flow. The temperature of the refrigerant is thereby increased before entering the expansion engine, so that the yield of the expansion engine is increased, with the disadvantage of introducing additional heat into the cooling circuit.
특히 바람직한 실시예에서, 이 단점은 압축기 펌프와 제1 열교환기 사이의 냉각 회로에 와류 냉각기(vortex cooler) 또는 와류관(vortex tube)을 접속시킴으로써 보상될 수 있다. 와류관은 바람직하기로 가동 부품(moving part)들이 없는 완전히 수동적인 냉각 장치이다. 이러한 맥락에서 와류관은 과열기에 의해 냉각 회로에 도입된 과도한 열을 제거한다. 이에 따라 냉각 회로의 찬 부분(cold section)과 뜨거운 부분(hot sector) 간의 온도 차이가 증가하여 전체적인 냉각 효율이 향상된다.In a particularly preferred embodiment, this drawback can be compensated for by connecting a vortex cooler or vortex tube to the cooling circuit between the compressor pump and the first heat exchanger. The swirl tube is preferably a completely passive cooling device without moving parts. In this context, the vortex tube removes the excess heat introduced into the cooling circuit by the superheater. Accordingly, the temperature difference between the cold section and the hot sector of the cooling circuit increases, thereby improving overall cooling efficiency.
바람직한 실시예에서, 재결합기 유닛(recombiner unit)이 증기 응축기 상류의 배기 배관에 접속된다, 재결합기 유닛은 바람직하기로 수동적인 자가촉매(autocatalytic) 재결합기를 구비하여 배기 흐름에 포함된 무염(flameless) 수소를 산소와 재결합시킴으로써 수증기(water vapor) 또는 증기(steam)를 산출한다. 이와는 달리 또는 추가적으로 재결합기가 일산화탄소를 산소와 촉매 재결합하여 이산화탄소를 산출하도록 구성될 수 있다.In a preferred embodiment, a recombiner unit is connected to the exhaust piping upstream of the vapor condenser. Recombining hydrogen with oxygen yields water vapor or steam. Alternatively or additionally, the recombiner may be configured to catalytically recombine carbon monoxide with oxygen to produce carbon dioxide.
한 유용한 실시예에서, 냉각 회로는 냉매를 초임계 상태(super-critical state)로 순환시키도록 구성될 수 있다.In one useful embodiment, the cooling circuit may be configured to circulate the refrigerant in a super-critical state.
바람직하기로, 냉각 회로 내를 순환하는 냉매는 100 ℃ 미만, 바람직하기로 80 ℃ 미만의 비등 온도를 가진다. 이는 열 소스(heat source)와 열 싱크(heat sink) 간의 구동 온도 차(driving temperature difference)가 비교적 낮은 경우에도 냉각 회로의 시동과 자급 작동을 뒷받침한다.Preferably, the refrigerant circulating in the cooling circuit has a boiling temperature of less than 100 °C, preferably less than 80 °C. This supports startup and self-sustaining operation of the cooling circuit even when the driving temperature difference between the heat source and heat sink is relatively low.
특히 적합한 냉매는 이산화탄소이다.A particularly suitable refrigerant is carbon dioxide.
한 바람직한 실시예에서 냉각 회로 내의 팽창 기관은 증기 터빈(steam turbine)이다.In a preferred embodiment the expansion engine in the cooling circuit is a steam turbine.
다른 바람직한 실시예에서, 팽창 기관과 압축기 펌프는 서로 기계적으로 결합되는데, 바람직하기로 공통의 축(common shaft)을 통해 결합된다.In another preferred embodiment, the expansion engine and compressor pump are mechanically coupled to each other, preferably via a common shaft.
또 다른 바람직한 실시예에서, 팽창기관은 또한 송풍기(blower)도 작동시키는데, 송풍기는 공기 냉각기(air cooler)를 지향한다. 이에 따라 공기 냉각기의 (냉각) 능력이 향상된다.In another preferred embodiment, the expansion engine also operates a blower, which blower is directed at an air cooler. This improves the (cooling) capacity of the air cooler.
바람직하기로, 팽창 기관은 또한 역송 압축기를 적어도 부분적으로 작동시킨다.Preferably, the expansion engine also at least partially operates the backfeeding compressor.
전체 격납용기 보호 시스템은 바람직하기로 주변 환경으로의 방사성 물질의 제로 방출(zero-release)을 목표로 설계된다. (방출) 대신, 배기 증기의 가스 부분과 바람직하기로는 응축된 액체 부분도 격납용기 내로 역송 공급된다. 기존의 시스템과 비교할 때, 자연히(by default) 외부 대기로의 환기가 없다(그러나 여전히 (외기 환기를) 선택할 수 있다).The entire containment protection system is preferably designed with the goal of zero-release of radioactive material into the environment. Instead of (discharge), the gaseous portion of the exhaust vapor and preferably the condensed liquid portion are also fed back into the containment. Compared to conventional systems, there is no ventilation to the outside atmosphere by default (but you can still choose (outside ventilation)).
대체적으로, 본 발명에 따른 감압 및 냉각 시스템/격납용기 보호 시스템은 심각한 사고 이후의 핵 붕괴열(nuclear decay heat)의 제거와 방사성 핵분열 산출물들의 주변 환경으로의 방출 없이 격납용기의 압력 방출(pressure relief)을 촉진한다. 심각한 사고 동안이라도 부정적 영향은 플랜트에 한정되며 주변 환경에는 영향(방사능 오염)이 없다. 격납용기의 핵에너지 내용물(붕괴열)과 함께 연소성 가스(H2, CO)들의 에너지 내용물은 에너지와 냉매의 외부 공급 없이 격납용기의 완전성(integrity)을 장기간 유지하는 수동적 및 자급식 공정/시스템에 사용된다. 잉여 동력을 생성하는 수동적 냉각 사이클은 수동적 열 제거와 냉각이 요구되는 다른 많은 응용분야들에 사용될 수 있다.In general, the depressurization and cooling system/container protection system according to the present invention provides for removal of nuclear decay heat after a catastrophic accident and pressure relief of the containment without release of radioactive fission products into the environment. promote Even during a serious accident, the negative effects are confined to the plant and there is no effect on the surrounding environment (radioactive contamination). The energy content of the combustible gases (H 2 , CO) together with the nuclear energy content (decay heat) of the containment is used in passive and self-contained processes/systems that maintain the integrity of the containment for a long period of time without an external supply of energy and refrigerant. do. Passive cooling cycles that generate surplus power can be used in many other applications where passive heat removal and cooling are required.
본 발명의 예시적 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 이하에 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플랜트 보호 시스템의 제1 변형예의 간략화된 개략도를 보인다.
도 2는 플랜트 보호 시스템의 제2 변형예를 보인다.
도 3은 제3 변형예를 보인다.
도 4는 플랜트 보호 시스템에 채택된 열역학 과정을 보이는 도표이다.Exemplary embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 shows a simplified schematic diagram of a first variant of a plant protection system according to the invention.
2 shows a second variant of the plant protection system.
3 shows a third modified example.
Figure 4 is a diagram showing the thermodynamic process employed in the plant protection system.
도 1을 더 상세히 살피면, 부분만 여기 도시된 핵 발전 플랜트(nuclear power plant; 2)는 원자로 압력용기(reactor pressure vessel)(도시 안 됨)를 둘러싸는 격납용기 벽(containment wall; 4)과 핵 냉각 회로의 관련 구성부들을 구비한다. 격납용기 벽(4)은 어떤 비상시 방사성 증기 또는 가스를 최대 압력까지 수납하도록 설계된다, 격납용기 벽(4) 내부의 영역은 격납용기(6)로도 알려져 있다.Looking more closely at FIG. 1, a
격납용기(6) 내부의 압력이 전형적으로 대기압에 대해 1 내지 3 바(bar)의 범위에 있는 임계값을 초과하면, 격납용기 보호 시스템(8)이 감압(depressurization)을 촉진한다. 이를 위해 격납용기 보호 시스템(8)은 배기 흐름(exhaust stream)을 위한 배기 배관(exhaust line; 10)을 구비한다. 배기 배관(10)은 격납용기(6) 내부에 유입구 구멍(inlet aperture)을 가지며 격납용기 벽(4)을 관통한다. 핵 발전 플랜트(2)의 정상 작동 동안 이 배관은 바람직하기로 격납용기 벽(4)의 바로 뒤에 위치하는 적어도 하나의 차단 밸브(shut-off valve; 12)에 의해 폐쇄된다. 격납용기(6)의 감압을 가능하도록 하기 위해 차단 밸브(12)가 개방되고 격납용기(6)와 본질적으로 대기압과 동일한 압력의 배기 배관(12)의 저압부 간의 압력차에 의해 구동되어 배기 흐름이 시작된다. 배기 흐름의 질량 유량은 전형적으로, 격납용기 내의 사고후(post-accident) 붕괴열(decay-heat)(1000 내지 1600MW 발전 플랜트에서 약 10 내지 20MW의 붕괴열)에 따라 2 내지 10 kg/s의 값에 달한다.When the pressure inside
전형적으로, 배기 흐름은 (예를 들어 >4% 함량의) 수소를 포함하는데, 이는 산소와 조합되어 폭발성 가스 혼합물을 형성함으로써 전체 설비를 위험에 빠뜨린다. 그러므로 바람직하기로 복수의 수동적(passive) 자가 촉매(autocatalytic) 재결합기(recombiner)들을 가지는 재결합기 유닛(14)이 수소와 산소를 무해한 수증기9water vapor) 또는 증기(steam)로 변환하기 위해 배기 배관(10)에 접속된다. 이와는 달리 또는 추가적으로, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 촉매(catalytic) 재결합기도 존재한다. 재결합 과정의 발열(exothermic) 특성에 따라 배기 증기가 뜨거워져 전형적으로 400 ℃ 내지 800 ℃ 범위의 온도에 달하게 된다. 이에 따라 배기 흐름 중의 증기 부분은 대략 등압 과정(isobaric process)에서 과열(overheat)된다.Typically, the exhaust stream contains hydrogen (eg in >4% content), which in combination with oxygen forms an explosive gas mixture, endangering the entire plant. Therefore, the
재결합기 유닛(14)은 배기 배관(20)의 격납용기(6) 내부의 부분에 위치할 수 있지만, 바람직한 위치는 격납용기(6) 바로 뒤의 격납용기(6) 외부이다. 그러면 격납용기 벽(4)의 관통부(lead-through)에서의 과도히 높은 온도를 피할 수 있다.The
재결합기 유닛(14) 입구의 화염 억제기(flame arrestor; 16)는 격납용기(6)로부터의 가스 혼합물의 돌발적인 점화가 격납용기 보호 시스템(8)으로 전파되는 것을 방지하며, 그 역도 마찬가지다.A
선택적으로, 후속적인 재결합 공정에 필요/유용한 경우 배기 흐름 내의 산소 함량을 높이기 위해 산소의 저장 용기(storage container; 18)가 공급 배관(feeding line; 20)을 통해 배기 배관(10) 또는 재결합기 유닛(14)에 연결된다(도 3 참조)Optionally, a
재결합기 유닛(14)의 하류에서 배기 흐름은 예를 들어 입자 필터(particle filter) 또는 흡착제 필터(sorbent filter)인 (선택적) 필터 유닛(22)을 통과할 수 있다.Downstream of the
더 하류에서, 배기 흐름은 증기 응축기(steam condenser; 24)로 유도되어 거기서 배기 흐름 내의 증기 부분이 액상 물질로 응축된다. 응축에 관련된 압력 방출(pressure relief)이 존재한다. 증기 응축기(24)는 액상 응축물(condensate)이 바닥 영역에 축적되는 용기(16)를 구비한다. 유입되는 배기 흐름은 바람직하기로 복수의 분사 노즐(28)들에 의해 액상(응축물)으로 분사(직접적 응축이 이뤄짐)되어, 장치는 가스 성분들에 대한 세척기(washer) 또는 습식 세정기(wet scrubber)로도 기능한다. 아직 응축물이 없는 환기 과정(vent process)의 시작시, 용기(16)는 (보조적) 냉각 액체의 초기 분량(initial inventory)이 적어도 부분적으로 충전될 수 있다.Further downstream, the exhaust stream is led to a
배기 흐름의 응축 불가능한 가스 부분은 액상 (응축물) 위의 용기(26) 상부 영역의 가스 공간에 축적된다. 이로부터 이는 압력차를 극복하기 위해 역송 압축기(32)가 접속된 역송 배관(backfeed line; 30)을 통해 격납용기(26)로 역송 공급된다.The non-condensable gaseous portion of the exhaust stream accumulates in the gas space in the upper region of
용기(26)의 바닥에 부착된 다른 역송 배관(34)은 역송 펌프(36)에 의해 액상 응축물을 액상 응축물을 다시 격납용기(6)로 공급하도록 해준다.Another
증기 응축기(24)를 재냉각(re-cooling)할 목적으로 제1 열교환기(40)와, 팽창 기관(expansion engine; 42)와, 제2 열교환기(44)와, 그리고 압축기 펌프(46)을 구비하는 자급식(self-sustaining) 냉각 회로(38)가 존재한다.A
제1 열교환기(40)는 증기 응축기(240에 열적 결합되어(thermally coupled) 냉각 회로(38)를 순환하는 냉매/열전달 매체의 히터로 기능한다. 바람직하기로, 제1 열교환기(4)는 용기(26) 내의 격납용기 보호 시스템(8)의 배기/환기 작동 동안 정상적으로 액체가 충전되는 영역 내부에 배치된다. 달리 말해, 제1 열교환기(40)는 바람직하기로 증기 응축기(24) 내에 축적된 액체에 잠겨 열 소스(heat source)로 기능한다. The
냉각 회로(38)에서 제1 열교환기(40)의 하류에 위치한 팽창 기관(42)은 바람직하기로 증기 터빈(steam turbine)이다. 가열된 냉매는 팽창 기관(42)에서 팽창되어 에너지가 기계적 일(mechanical work)로 변환된다.The
더 하류에는, 주변 환경과 연결되어 팽창된 냉매의 냉각기(cooler)로 기능하는 제2 열교환기(44)가 존재한다. 이는 공기 냉각기(air cooler)로 구현되는 것이 바람직하다. 즉 냉매에 포함된 과도한 열은 열 싱크(heat sink)로 기능하는 주변 대기/환경으로 전달된다.Further downstream, there is a
더 하류에서, 팽창 및 재냉각된 냉매는 바람직하기로 터보 압축기(turbo-compressor) 방식으로 강제 순환의 원리에 따라 냉각 회로(38)를 구동시키는 압축기 펌프(46)를 통과하게 된다.Further downstream, the expanded and recooled refrigerant is passed through a
다음, 냉매가 다시 제1 열교환기(40)로 유도됨으로써 냉각 회로(38)가 닫힌다. Then, the refrigerant is led back to the
이에 따라 냉각 회로(38)는 증기 응축기(24)(전형적 온도: 90 ℃)에 열적 결합된 제1 열교환기(40)와 주변 환경(전형적 온도: 20 내지 40 ℃)에 열적 결합된 제2 열교환기(44) 간의 열 차이(heat difference)에 의해 효율적으로 구동되는 닫힌 열역학 사이클을 형성한다.Accordingly, the cooling
가능한 구현예에서, 냉각 회로(38)는 제1 열교환기(40)(히터)가 냉매에 대한 기화기(evaporator)로 기능하고 제2 열교환기(44)(냉각기)가 응축기로 기능하는 2상(two-phase) 회로이다. 이 경우, 냉매는 증기 응축기(24) 내의 열 소스의 전형적 온도 범위에 맞추도록 바람직하기로 100 ℃ 미만, 더 바람직하기로 80 ℃ 미만의 비등 온도를 가진다.In a possible implementation, the cooling
그러나 바람직한 실시예에서, 냉각 회로(38)는 초임계 상태(super-critical state)로 냉매/액체를 순환시키도록 설계된다. 이 목적에 적절한 냉매는 예를 들어 31.0 ℃의 임계 온도와 73.8 바(bar)의 임계 압력을 가지는 이산화탄소(CO2)이다. 즉 냉각 회로(38)는 임계 압력 이상의 이러한 고압을 버티도록 설계되어야 한다. 작동의 초임계 모드는 대응하는 높은 열전달 능력을 가지는 냉매의 높은 밀도와 냉각 회로(38)의 배관 시스템 네에서의 여전히 높은 유동성(fluidity) 때문에 유용하다.However, in a preferred embodiment, the cooling
초임계 유체, 여기서는 이산화탄소 기반 냉매에 대한 기저의 주울 과정(Joule process)은 도 4의 도표에 시각화되어 있는데, 압력(p)이 엔탈피(enthalpy; h)에 대해 표시되어 있다(p-h 도표). 팽창 기관(42)에서의 액체의 팽창과 압축기 펌프(46)에 의한 압축은 대략 등엔트로피(isentropic) 과정인 반면, 대응 열교환기(40, 440들에서의 가열과 냉각은 대략 등압(isobaric) 과정이다, 이런 종류의 과정 제어는 사용 가능한 과도한 에너지의 높은 출력(yield)에 특히 적절하다.The underlying Joule process for a supercritical fluid, here a carbon dioxide-based refrigerant, is visualized in the diagram of FIG. 4, where pressure p is plotted against enthalpy (h) (p-h diagram). The expansion of the liquid in the
다시 도 1에서, 냉각 회로(38)의 자급식 작동을 위해 팽창 기관(42)이 압축기 펌프(46)를 작동시킨다. 이는 바람직하기로 팽창 기관(42)과 압축기 펌프(46)를 바람직하기로 공통의 축(common shaft)을 통해 서로 기계적으로 결합시킴으로써 달성되고, 필요하다면 그 사이에 변속 장치(transmission gearing)를 포함할 수 있다. 그러나 다른 변형예 역시 가능한데, 예를 들어 발전기(48)의 도움을 받는 전기 에너지의 생성을 통할 수 있다. 그러면 생성된 전기가 압축기 펌프(46)의 모터를 구동할 수 있다. 필요하다면 축전지(accumulator) 등의 적절한 저장 유닛들에 전기 에너지의 일시적 저장도 이뤄질 수 있다. Referring again to Figure 1, for self-contained operation of the
효율적인 작동을 위해, 추가적인 열교환기(50)가 냉각 회로의 제1 열교환기(40)의 하류이자 팽창 기관(42)의 상류에 접속될 수 있다. 열교환기(50)의 2차 측(secondary side)은 뜨거운 배기 흐름의 분지 흐름(branch stream)이 가열 매체로 기능하도록 재결합기 유닛(14)과 증기 응축기(24) 사이의 배기 배관(10)의 뜨거운 부분에 연결된다. 배기 배관(10)의 전용(dedicated) 드로틀 밸브(throttle valve; 52)(도 2 참조) 및/또는 필터 유닛(22)(도 1 참조) 및/또는 증기 터빈(66)(도 3 참조) 등의 다른 장치가 능동적 구동 수단 없이 분지 흐름을 증기 응축기(80) 앞의 주(main) 배기 흐름으로 역송 공급시킬 수 있게 하는 드로틀로 기능한다. 이는 열교환기(50)의 공급 배관(80)이 (배기 흐름의 방향에서 볼 때) 드로틀 부 앞의 배기 배관(10)으로부터의 분지관이고, 복귀 배관(82)이 드로틀 부 뒤의 배기 배관(10)에 통합된다는 것을 의미한다.For efficient operation, an
이와 같이, 추가적 열교환기(50)는 냉각 회로(38)를 순환하는 냉매가 팽창 기관(42)로 진입하기 전의 회수 과열기(recuperative superheater)로 기능한다. 이에 따라 추가적 열을 냉각 회로(38)에 도입시키는 잠재적 단점은 있지만 팽창 기관(42)의 출력(yield)이 향상된다. As such, the
도 2에 도시된 한 바람직한 실시예에서, 냉각 매체가 주 열 소스 내의 제1 열교환기(40)에 재진입하기 전에 더 냉각시키기 위해 와류 냉각기(vortex cooler; 54)가 압축기 펌프(46)의 하류에 설치된다. 와류 냉각기(54) 또는 와류관(vortex tube)은 가동 부품(moving part)들이 없이 와류(vortex flow)에 의해 유체 흐름을 뜨겁고 찬 분지 흐름으로 분리하는 기계적 장치이다. 그러면 찬 흐름은 찬 유체 배관(56)을 통해 제1 열교환기(40)로 진입하고 뜨거운 분지 흐름은 뜨거운 유체 배관(58)을 통해 과열기(50) 직전 또는 과열기의 주 냉각 루프(loop)에 재분사된다. 이러한 방법으로 전술한 단점이 보상되거나 제거되어 시스템의 전체적인 냉각 효율이 향상됨이 입증되었다.In one preferred embodiment shown in FIG. 2, a
와류관 내에는, 가압 유체가 선회실(swirl chamber; 60)에 접선방향으로 분사되어 높은 회전 속도로 가속된다. 관 단부의 원추형 노즐(62) 때문에 압축 유체의 외측 표면 부분(outer shell)만이 그 단부에서 탈출이 허용된다. 유체의 나머지는 외측 와류 내부의 감소된 직경의 내부 와류로 강제로 복귀된다, 이 장치의 냉각 효율은 비교적 낮지만 이 장치는 가동 부품들이 없이 완전히 수동적이다.Inside the swirl tube, a pressurized fluid is injected tangentially into a
도 1 및 2 모두에 도시된 바람직한 실시예에서, 팽창 기관(42)은 또한 그 냉각 효율을 향상시키기 위해 제2 열교환기(44)(일명 공기 냉각기)를 지향하는 송풍기(blower; 64) 역시 작동시킨다. 이는 기계적 결합을 통해 또는 도시된 바와 같이 발전기(48)에서 생성된 전기 에너지에 의해 간접적으로 이뤄질 수 있다.In the preferred embodiment shown in both Figures 1 and 2, the
유사한 방법으로, 팽창 기관(420은 역송 압축기(32) 및/또는 역송 펌프(36)를 적어도 부분적으로 작동시킬 수 있다.In a similar manner, expansion engine 420 may at least partially actuate
도 3에 도시된 격납용기 보호 시스템의 변형예는 재결합기 유닛914)와 증기 응축기(24) 사이의 배기 배관(10)에 증기 터빈(66)이 접속된다는 점에서 도 1의 변형예와 다르다. 증기 터빈(66)은 역송 압축기(32) 및/또는 역송 펌프(36)를 적어도 부분적으로 구동하기 위해 배기 흐름에 포함된 열에너지의 일부를 기계적 일(mechanical work)로 변환한다(대략 등엔트로피 과정). 이는 예를 들어 증기 터빈(66)과 역송 압축기(32) 및/또는 역송 펌프(36)의 기계적 결합을 통해 직접적으로, 및/또는 발전기(68)에 의한 전기 에너지의 발전을 통래 간접적으로 이뤄질 수 있다. 이는 또한 단일한 축 상의 터빈-압축기-발전기 유닛을 구비해도 가능하다. 필요하다면, 축전지(accumulator) 등의 적절한 저장 유닛에 전기 에너지의 일시적 저장도 이뤄질 수 있다.The variant of the containment protection system shown in FIG. 3 differs from the variant of FIG. 1 in that a
뿐만 아니라, 증기 터빈(66)에 의해 생성된 기계적 및/또는 전기적 동력은 냉각 회로(38)의 압축기 펌프(46) 및/또는 송풍기(64)를 적어도 부분적으로 구동하는 데 사용될 수 있다.In addition, mechanical and/or electrical power generated by
일반적으로, 회수 가능한 초과 에너지는 배기 흐름에 포함된 수소 함량과 역송 펌프(32)에 필요한 동력에 좌우되는데, 이는 다시 환기 작동 동안의 격납용기(6)와 증기 응축기(24) 간의 압력차에 좌우된다.In general, the recoverable excess energy depends on the hydrogen content contained in the exhaust stream and on the power required for the
도 3에 따른 실시예에서, 과열기(50)를 위한 공급 배관(80)이 증기 터빈(66) 상류의 배기 배관(10)에 부착되는 한편, 복귀배관(82)은 하류에 부착된다.In the embodiment according to FIG. 3 , the
도 2로 설명된 와류 냉각기(54)는 도 3에 따른 실시예에도 역시 마찬가지 방법으로 사용될 수 있다.The vortex cooler 54 described in FIG. 2 can also be used in the same way in the embodiment according to FIG. 3 .
격납용기(6) 내부의 사용 가능한 공간이 충분히 크다면 전체 격납용기 보호 시스템(8) 또는 그 일부가 격납용기(6) 내부에 설치될 수 있다.The entire containment protection system 8 or parts thereof may be installed inside the
감압 및 냉각을 목표로 하는 격납용기 보호 시스템(8)의 부분들은 감압 및 냉각 시스템(90)으로도 알려져 있다.Parts of the containment protection system 8 that target depressurization and cooling are also known as decompression and
이상의 설명에서 명백하듯. 각 도면의 다양한 특성들은 다른 도면들의 다양한 특성들과 조합될 수 있다.As is clear from the above description. Various features of each figure may be combined with various features of other figures.
핵 발전 플랜트는 BWR, PWR, WWER, HWR, HTR 등 어떤 공지의 방식도 될 수 있다.The nuclear power plant can be of any known type, such as BWR, PWR, WWER, HWR, HTR.
2: 발전 플랜트(power plant)
4: 격납용기 벽(containment wall)
6: 격납용기(containment)
8: 격납용기 보호 시스템(containment protection system)
10: 배기 배관(exhaust line)
12: 차단 밸브(shut-off valve)
14: 재결합기 유닛(recombiner unit)
16: 화염 억제기(flame arrestor)
18: 저장용기(storage container)
20: 공급 배관(feeding line)
22: 필터 유닛(filter unit)
24: 증기 응축기(steam condenser)
26: 용기(container)
28: 노즐(nozzle)
30: 역송 배관(backfeed line)
32: 역송 압축기(backfeed compressor)
34: 역송 배관(backfeed line)
36: 역송 펌프(backfeed pump)
38: 냉각 회로(cooling circuit)
40: 제1 열교환기(first heat exchanger)
42: 팽창 기관(expansion engine)
44: 제2 열교환기(second heat exchanger)
46: 압축기 펌프(compressor pump)
48: 발전기(generator)
50: 열교환기heat exchanger(과열기; superheater)
52: 드로틀 밸브(throttle valve)
54: 와류 냉각기(vortex cooler)
56: 찬 유체 배관(cold fluid line)
58: 뜨거운 유체 배관(hot fluid line)
60: 선회실(swirl chamber)
62: 원추형 노즐(conical nozzle)
64: 송풍기(blower)
66: 증기 터빈(steam turbine)
68: 발전기(generator)
80: 공급 배관(feeding line)
82: 복귀 배관(return line)
90: 감압 및 냉각 시스템(depressurization and cooling system)2: power plant
4: containment wall
6: containment
8: containment protection system
10: exhaust line
12: shut-off valve
14: recombiner unit
16: flame arrestor
18: storage container
20: feeding line
22: filter unit
24: steam condenser
26: container
28: nozzle
30: backfeed line
32: backfeed compressor
34: backfeed line
36: backfeed pump
38: cooling circuit
40: first heat exchanger
42: expansion engine
44: second heat exchanger
46: compressor pump
48: generator
50: heat exchanger (superheater)
52: throttle valve
54: vortex cooler
56: cold fluid line
58: hot fluid line
60: swirl chamber
62: conical nozzle
64: blower
66: steam turbine
68: generator
80: feeding line
82: return line
90: depressurization and cooling system
Claims (23)
- 증기 응축기(24)로서,
- 배기 배관(10)을 통해 격납용기(6)에 연결되는 상류 포트와,
- 역송 배관(30)을 통해 격납용기(6)에 연결되는 하류 포트와,
- 역송 압축기(32)를 구비하는 상기 역송 배관을 포함하는 증기 응축기(24)와,
- 증기 응축기(24)를 재냉각시키는 재냉각 시스템을 구비하고,
상기 재냉각 시스템이 닫힌 루프의 작동 유체 열역학 사이클을 구비하고, 상기 증기 응축기(24)는 열 소스이되,
상기 재냉각 시스템이 작동 유체가 순환하는 닫힌 루프에:
- 증기 응축기(24)에 열적 결합된 제1 열교환기(40)와
- 상기 제1 열교환기(40)에 유체 연결된 팽창 기관(42)과
- 상기 팽창 기관(42)에 유체 연결된 제2 열교환기(44)와
- 제2 열교환기(44)의 하류 및 제1 열교환기(40)의 상류에 유체 연결된 압축기 펌프(46)와,
- 제1 열교환기(40)의 하류 및 팽창 기관(42)의 상류에 연결된 과열기(50)를 구비하고,
상기 팽창 기관(42)이 상기 압축기 펌프(46)를 작동시키고, 상기 과열기(50)가 배기 흐름에 의해 가열되도록 배기 배관(10)에 열적 결합되는 것을 특징으로 하는, 감압 및 냉각 시스템(90).With a depressurization and cooling system (90) of vapors and/or condensable gases in the atmosphere in the containment vessel (6),
- as a vapor condenser (24),
- an upstream port connected to the containment vessel (6) through the exhaust pipe (10);
- a downstream port connected to the containment vessel (6) through a backflow pipe (30);
- a vapor condenser (24) comprising said backfeed piping with a backfeed compressor (32);
- with a recooling system for recooling the vapor condenser (24);
wherein the recooling system comprises a closed loop working fluid thermodynamic cycle, wherein the vapor condenser (24) is a heat source;
The recooling system is in a closed loop in which the working fluid circulates:
- a first heat exchanger (40) thermally coupled to the vapor condenser (24);
- an expansion engine (42) fluidly connected to the first heat exchanger (40);
- a second heat exchanger (44) fluidly connected to the expansion engine (42);
- a compressor pump (46) fluidly connected downstream of the second heat exchanger (44) and upstream of the first heat exchanger (40);
- a superheater (50) connected downstream of the first heat exchanger (40) and upstream of the expansion engine (42);
Decompression and cooling system (90), characterized in that the expansion engine (42) operates the compressor pump (46) and the superheater (50) is thermally coupled to the exhaust pipe (10) such that it is heated by the exhaust stream. .
상기 재냉각 시스템이 압축기 펌프(46)의 하류 및 제1 열교환기(40)의 상류에 유체 연결된 와류 냉각기(54)를 구비하는 감압 및 냉각 시스템(90).In claim 1,
A decompression and cooling system (90) wherein the recooling system includes a vortex cooler (54) fluidly connected downstream of the compressor pump (46) and upstream of the first heat exchanger (40).
상기 와류 냉각기(54)가 제1 열교환기(40)의 하류 및 팽창기관(42)의 상류의재냉각 시스템의 영역에 연결되는 뜨거운 유체 유출구를 가지는 감압 및 냉각 시스템(90).In claim 2,
A decompression and cooling system (90) in which the vortex cooler (54) has a hot fluid outlet connected to the region of the recooling system downstream of the first heat exchanger (40) and upstream of the expansion tube (42).
배기 배관(10)이 증기 응축기(24)의 상류에 재결합기 유닛(14)을 구비하는 감압 및 냉각 시스템(90).In claim 1,
A decompression and cooling system (90) in which the exhaust piping (10) has a recombiner unit (14) upstream of the vapor condenser (24).
- 격납용기(6)에 연결되며, 증기 응축기(24)가 접속되고(switched), 격납용기 분위기 배기 흐름(containment atmosphere exhaust stream)을 위한 배기 배관(10)과,
- 역송 압축기(32)가 접속되고(switched), 증기 응축기(24)로부터 격납용기(6)로의 격납용기 분위기 배기 흐름의 가스 부분을 위한 역송 배관(30)과,
- 상기 증기 응축기(24)를 재냉각시키기 위한 냉각 회로(38)을 포함하되,
상기 냉각 회로(38)가 증기 응축기(24)에 열적 결합된 제1 열교환기(40)를 구비하고, 팽창 기관(42)과, 압축기 펌프(46)와, 그리고 열 싱크에 열적 연결된 제2 열교환기(44)를 더 구비하며, 팽창 기관(42)이 압축기 펌프(46)를 작동시키고, 상기 제1 열교환기(40)와 팽창 기관(42) 사이의 냉각 회로(38) 내에 과열기(50)를 구비하고, 과열기(50)가 격납용기 분위기 배기 흐름에 의해 가열되도록 배기 배관(10)에 열적 결합되는 것을 특징으로 하는, 격납용기 보호 시스템(8).In a containment protection system (8) for a power plant (2) having a containment vessel (6),
- an exhaust piping (10) connected to the containment vessel (6), to which the vapor condenser (24) is switched, and for a containment atmosphere exhaust stream;
- a backfeed piping (30) for the gas portion of the containment atmospheric exhaust flow from the vapor condenser (24) to the containment vessel (6), to which the backfeed compressor (32) is switched;
- a cooling circuit (38) for recooling the vapor condenser (24),
The cooling circuit (38) has a first heat exchanger (40) thermally coupled to the vapor condenser (24) and a second heat exchanger (40) thermally coupled to the expansion engine (42), the compressor pump (46) and a heat sink. a superheater (50) in the cooling circuit (38) between the first heat exchanger (40) and the expansion engine (42); and characterized in that the superheater (50) is thermally coupled to the exhaust piping (10) such that it is heated by the containment atmosphere exhaust flow.
압축기 펌프(46)와 제1 열교환기(40) 사이의 냉각 회로(38)에 와류 냉각기(54)를 구비하는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) with a vortex cooler (54) in the cooling circuit (38) between the compressor pump (46) and the first heat exchanger (40).
와류 냉각기(54)가 제1 열교환기(40)와 팽창 기관(42) 사이의 영역에서 냉각 회로(38)에 유체 연결된 뜨거운 유체 유출구를 가지는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 6,
A containment protection system (8) wherein the vortex cooler (54) has a hot fluid outlet fluidly connected to a cooling circuit (38) in the region between the first heat exchanger (40) and the expansion engine (42).
재결합기 유닛(14)이 증기 응축기(24) 상류의 배기 배관(10)에 접속되는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) in which the recombiner unit (14) is connected to the exhaust piping (10) upstream of the vapor condenser (24).
제2 열교환기(44)가 공기 냉각기로 구현되는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) in which the second heat exchanger (44) is implemented as an air cooler.
냉각 회로(38)가 초임계 상태로 냉매를 순환시키도록 구성되는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) wherein the cooling circuit (38) is configured to circulate the refrigerant in a supercritical state.
냉매가 100 ℃미만의 비등 온도를 가지는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) in which the refrigerant has a boiling temperature of less than 100 °C.
냉매가 이산화탄소인 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system where the refrigerant is carbon dioxide (8).
팽창 기관(42)이 증기 터빈인 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) in which the expansion engine (42) is a steam turbine.
팽창 기관(42)과 압축기 펌프(46)가 공통의 축을 통해 서로 기계적으로 결합되는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) in which the expansion engine (42) and the compressor pump (46) are mechanically coupled to each other via a common shaft.
팽창 기관(42)이 송풍기(64) 역시 작동시키며, 송풍기(64)가 제2 열교환기(44)를 지향하는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
The containment protection system (8), in which the expansion engine (42) also operates the blower (64), which blower (64) is directed towards the second heat exchanger (44).
팽창 기관(42)이 역송 압축기(32)를 더 작동시키는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
The containment protection system (8) in which the expansion engine (42) further operates the back-feeding compressor (32).
주변 환경에 방사성 물질의 제로 방출을 위해 설계되는 격납용기 보호 시스템(8).In claim 5,
A containment protection system (8) designed for zero release of radioactive material into the surrounding environment.
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